本發(fā)明實(shí)施例涉及3d打印光路系統(tǒng)，尤其涉及一種產(chǎn)生點(diǎn)環(huán)光的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
1、目前傳統(tǒng)的金屬機(jī)3d打印機(jī)使用的外光路系統(tǒng)由振鏡、場(chǎng)鏡和擴(kuò)束鏡構(gòu)成，使用單模旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)光斑尺寸達(dá)到打印要求。但是，現(xiàn)有的金屬機(jī)3d打印機(jī)存在諸多的問(wèn)題，例如：
2、1.聚焦光斑為高斯光束，易產(chǎn)生飛濺且氣孔率高，影響加工質(zhì)量。
3、2.光路需要通過(guò)場(chǎng)鏡，場(chǎng)鏡本身會(huì)引入一定的場(chǎng)曲和畸變。
4、3.旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)體積較大。
5、4.傳統(tǒng)光路系統(tǒng)的造價(jià)較高，由單模的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)、振鏡、擴(kuò)束器和場(chǎng)鏡構(gòu)成。每一個(gè)部件都價(jià)格高昂。
6、基于此，急需提供一種光路系統(tǒng)，可以解決上述中的至少一個(gè)問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N產(chǎn)生點(diǎn)環(huán)光的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)及其控制方法，其只需要兩個(gè)弧形光學(xué)反射鏡和一個(gè)光纖輸出的激光器，可以將激光整形為點(diǎn)環(huán)狀光斑，可以減少飛濺和降低氣孔率，提高加工質(zhì)量。
2、第一方面，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N產(chǎn)生點(diǎn)環(huán)光的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)，包括：
3、光源模塊，用于輸出激光；
4、整形聚焦模塊，包括旋轉(zhuǎn)反射鏡和弧形反射鏡，所述旋轉(zhuǎn)反射鏡和所述弧形反射鏡依次位于激光光路上；所述旋轉(zhuǎn)反射鏡包括中心區(qū)域和外環(huán)區(qū)域，所述外環(huán)區(qū)域圍繞所述中心區(qū)域，所述中心區(qū)域和所述外環(huán)區(qū)域的曲率半徑不同；所述旋轉(zhuǎn)反射鏡用于反射激光并整形為點(diǎn)環(huán)狀光斑；所述弧形反射鏡用于聚焦所述點(diǎn)環(huán)狀光斑；
5、控制模塊，用于控制所述旋轉(zhuǎn)反射鏡以旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行自旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)激光沿第一方向線(xiàn)掃描；還用于控制所述旋轉(zhuǎn)反射鏡和所述弧形反射鏡整體移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)激光沿第二方向線(xiàn)掃描和旋轉(zhuǎn)掃描；其中所述第一方向和所述第二方向垂直。
6、作為優(yōu)選方案，所述旋轉(zhuǎn)反射鏡在子午面的焦距和弧矢面上的焦距相同。
7、作為優(yōu)選方案，所述旋轉(zhuǎn)反射鏡在子午面上的焦距和弧矢面上的焦距滿(mǎn)足關(guān)系：
8、frot_x＝frot_y＝f1；
9、frot_x＝(rrot_x*cosθ)/2；frot_y＝rrot_y/(2cosθ)；
10、其中，θ為激光的發(fā)散半角；frot_x為所述旋轉(zhuǎn)反射鏡在子午面上的焦距，frot_y為所述旋轉(zhuǎn)反射鏡在弧矢面上的焦距，rrot_x為所述旋轉(zhuǎn)反射鏡在子午方向上的曲率半徑，rrot_y為所述旋轉(zhuǎn)反射鏡在弧矢方向上的曲率半徑；f1為所述旋轉(zhuǎn)反射鏡的總焦距。
11、作為優(yōu)選方案，所述弧形反射鏡在弧矢面上的焦距滿(mǎn)足關(guān)系：fsurf_y＝rsurf_y；
12、其中，fsurf_y為所述弧形反射鏡在弧矢面上的焦距；rsurf_y為所述弧形反射鏡在弧矢方向上的曲率半徑。
13、作為優(yōu)選方案，所述弧形反射鏡在子午方向上的光路傳播滿(mǎn)足條件：
14、fsurf_x＝fsurf_y＝f2；
15、fsurf_x(子午)＝(rsurf_x*cosθ)/2；
16、其中，θ為激光的發(fā)散半角；fsurf_x為所述弧形反射鏡在子午面上的焦距，rsurf_x為所述弧形反射鏡在子午方向上的曲率半徑；fsurf_y為所述弧形反射鏡在弧矢面上的焦距；f2為所述弧形反射鏡的總焦距。
17、作為優(yōu)選方案，所述旋轉(zhuǎn)反射鏡和所述弧形反射鏡的反射角為α，α的取值范圍為15°～75°。
18、作為優(yōu)選方案，激光的光斑尺寸d0滿(mǎn)足關(guān)系：
19、
20、d0＝2ω；
21、其中，f1為所述旋轉(zhuǎn)反射鏡的總焦距，f2為所述弧形反射鏡的總焦距，θ為激光的發(fā)散半角；m2為激光的光束質(zhì)量；λ為激光的波長(zhǎng)；ω為激光光束的半徑；l1為光纖激光器出光口到達(dá)旋轉(zhuǎn)反射鏡的距離；l2為旋轉(zhuǎn)反射鏡到達(dá)弧形反射鏡的距離；l3為弧形反射鏡到達(dá)工作面的距離。
22、作為優(yōu)選方案，所述弧形反射鏡為長(zhǎng)條狀，且所述弧形反射鏡的弧面長(zhǎng)度大于激光的線(xiàn)掃描范圍。
23、作為優(yōu)選方案，所述旋轉(zhuǎn)反射鏡位于所述弧形反射鏡的前焦點(diǎn)的位置，且其反射面朝向所述弧形反射鏡的反射面。
24、基于同一個(gè)發(fā)明構(gòu)思，第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種產(chǎn)生點(diǎn)環(huán)光的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)的控制方法，用于控制第一方面提供的所述的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)，包括：
25、控制旋轉(zhuǎn)反射鏡自旋轉(zhuǎn)將激光反射至弧形反射鏡，旋轉(zhuǎn)反射鏡的中心區(qū)域和外環(huán)區(qū)域?qū)⒐獍哒螢辄c(diǎn)環(huán)狀光斑；弧形反射鏡聚焦點(diǎn)環(huán)狀光斑至加工面；
26、控制旋轉(zhuǎn)反射鏡以旋轉(zhuǎn)軸自旋轉(zhuǎn)將點(diǎn)環(huán)狀光斑反射至弧形反射鏡，實(shí)現(xiàn)激光沿第一方向線(xiàn)掃描；
27、控制旋轉(zhuǎn)反射鏡的旋轉(zhuǎn)軸和弧形反射鏡的中心軸相對(duì)位置固定，沿第二方向整體移動(dòng)旋轉(zhuǎn)反射鏡和弧形反射鏡，實(shí)現(xiàn)激光沿第二方向線(xiàn)掃描；
28、控制旋轉(zhuǎn)反射鏡的旋轉(zhuǎn)軸和弧形反射鏡的中心軸相對(duì)位置固定，且整體旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)反射鏡和弧形反射鏡，實(shí)現(xiàn)激光掃描角度控制。
29、綜上，本申請(qǐng)實(shí)施例提供的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)，只需兩個(gè)弧形光學(xué)反射鏡，設(shè)置旋轉(zhuǎn)反射鏡的中心區(qū)域和外環(huán)區(qū)域的曲率半徑不同，即可將激光整形為點(diǎn)環(huán)狀光斑，通過(guò)兩個(gè)反射鏡組合對(duì)輸出激光聚集的目的。進(jìn)一步通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)反射鏡以自身旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)可以使激光實(shí)現(xiàn)橫向掃描功能。對(duì)其整個(gè)光路系統(tǒng)進(jìn)行前后和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則可以使激光實(shí)現(xiàn)前后掃描和旋轉(zhuǎn)掃描。通過(guò)旋轉(zhuǎn)反射鏡和弧形反射鏡的光學(xué)模組，可以實(shí)現(xiàn)降低成本和提高加工速率度的功能，且由于整個(gè)光路系統(tǒng)較小，還可以使掃描光路系統(tǒng)具有體積小型化的優(yōu)勢(shì)。
1.一種產(chǎn)生點(diǎn)環(huán)光的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)反射鏡在子午面上的焦距和弧矢面上的焦距相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)反射鏡在子午面上的焦距和弧矢面上的焦距滿(mǎn)足關(guān)系：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)，其特征在于，所述弧形反射鏡在弧矢面上的焦距滿(mǎn)足關(guān)系：fsurf_y＝rsurf_y；
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)，其特征在于，所述弧形反射鏡在子午方向上的光路傳播滿(mǎn)足條件：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)反射鏡和所述弧形反射鏡的反射角為α，α的取值范圍為15°～75°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)，其特征在于，激光的光斑尺寸d0滿(mǎn)足關(guān)系：
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)，其特征在于，所述弧形反射鏡為長(zhǎng)條狀，且所述弧形反射鏡的弧面長(zhǎng)度大于激光在第一方向上的線(xiàn)掃描范圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)反射鏡位于所述弧形反射鏡的前焦面的位置，且其反射面朝向所述弧形反射鏡的反射面；所述旋轉(zhuǎn)反射鏡的旋轉(zhuǎn)軸和所述弧形反射鏡的中心軸相對(duì)位置固定。
10.一種產(chǎn)生點(diǎn)環(huán)光的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)的控制方法，用于控制權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)鏡掃描光路系統(tǒng)，其特征在于，所述控制方法包括：